基于不完全CSI的D2D通信平均總和速率優(yōu)化

邱 斌 陳文鵬

1(桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 廣西 桂林 541004)2(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 廣西 桂林 541004)

0 引 言

作為5G通信關(guān)鍵技術(shù)之一的基于蜂窩網(wǎng)端對端(Cellular device-to-device，Cellular-D2D)通信技術(shù)允許位置相近的用戶通過復(fù)用Cellular網(wǎng)的工作頻段實(shí)現(xiàn)短距離通信。該技術(shù)能減少通信時(shí)延、減輕基站負(fù)擔(dān)，擴(kuò)大通信系統(tǒng)容量，從而滿足用戶高速率體驗(yàn)，為新一代移動通信系統(tǒng)中大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)海量移動用戶接入、零延遲通信及大數(shù)據(jù)傳輸開辟了新的途徑[1-2]。然而，帶來如此受益的同時(shí)，因頻率復(fù)用而產(chǎn)生的共道干擾也對系統(tǒng)性能產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[3]。

目前，已有相關(guān)研究通過干擾協(xié)調(diào)，優(yōu)化了系統(tǒng)的總速率性能。文獻(xiàn)[4]在頻效和功率約束下，實(shí)現(xiàn)了通信系統(tǒng)總速率最優(yōu)。文獻(xiàn)[5]通過功率分配，在Cellular用戶的最小信噪比約束下，最大化D2D用戶總速率。文獻(xiàn)[6]在多對D2D用戶復(fù)用一個(gè)Cellular用戶資源的情況下，通過隨機(jī)幾何理論齊次泊松點(diǎn)過程(Poisson point process,PPP)進(jìn)行系統(tǒng)建模、功率控制，優(yōu)化D2D用戶的總和速率。文獻(xiàn)[7]采用非正交多址方式進(jìn)行資源復(fù)用，并推導(dǎo)了系統(tǒng)總速率最大時(shí)，Cellular用戶與D2D用戶的接入比例。然而，以上研究都假設(shè)鏈路的CSI完好，未討論動態(tài)時(shí)變場景下不完全CSI對總和速率的影響。文獻(xiàn)[8]考慮了通信鏈路的不完全CSI特性，優(yōu)化D2D用戶接入密度，使得D2D用戶的平均和速率最大。然而，該文獻(xiàn)假設(shè)D2D通信距離不發(fā)生變化，未考慮時(shí)變通信環(huán)境下D2D通信距離的時(shí)變性。

因此，本文在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上，考慮不完全CSI的D2D通信，通過一階自回歸(first-order autoregressive，AR1)[9]模型刻畫不完全CSI特性，同時(shí)鏈路的動態(tài)時(shí)變特性通過D2D用戶間距離變化來刻畫。最后通過Jensen不等式推導(dǎo)了不完全CSI下D2D通信平均總和速率封閉表達(dá)式，進(jìn)而求解得出平均總和速率最大時(shí)的D2D用戶接入密度的最優(yōu)解。

1 Cellular-D2D系統(tǒng)模型

圖1為本文建立的Cellular-D2D通信模型。

圖1 Cellular-D2D通信模型

(1)

D2D通信系統(tǒng)中，D2D用戶復(fù)用Cellular用戶的信道資源時(shí)，相互間會產(chǎn)生干擾。第m對D2D用戶對應(yīng)的SINR可表示為[8]：

(2)

2 D2D用戶平均總和速率優(yōu)化

D2D鏈路的平均總和速率(average sum rate，ASR)定義為[10]：

(3)

式中：βd為門限值；E(P(SINRd>βd))為平均成功傳輸概率，可表示為：

(4)

(5)

(6)

(7)

將式(6)及式(7)代入式(5)，根據(jù)Palm理論，推導(dǎo)出典型D2D鏈路的成功傳輸概率:

(8)

本文通過D2D鏈路通信距離dm,m的變化刻畫D2D通信鏈路的時(shí)變特性，距離dm,m的概率密度函數(shù)可表示為[11]：

f(d)=2d/Rd

(9)

式中：Rd表示D2D鏈路的最大通信距離，假設(shè)接收端噪聲相對于共道干擾對成功傳輸概率的影響較小，令N0=0,式(8)可化簡為：

(10)

(11)

根據(jù)式(9)可知，E(X)可表示為：

(12)

將式(11)-式(12)代入式(10)可得：

(13)

將式(13)代入式(3)，ASRd可表示為：

(14)

(15)

3 數(shù)值分析

本節(jié)分析不同參數(shù)設(shè)置對ASRd的影響，假設(shè)默認(rèn)參數(shù)設(shè)置如下[11-12]：Cellular基站覆蓋半徑R為500 m，B為20 MHz,典型Rd為50 m，所有用戶的功率p均為20 dBm，βd門限為0 dB，α為4。

圖2 ASR隨Cellular用戶和D2D用戶接入密度的變化

圖3 不同路徑損失因子對ASR的影響

圖4 不同條件下D2D通信距離對ASR的影響

4 結(jié) 語

本文在不完全信道狀態(tài)信息下的D2D通信系統(tǒng)中，通過一階自回歸模型刻畫不完全CSI特性，用D2D通信用戶之間距離的變化描述D2D通信的動態(tài)時(shí)變特性，分析了不同系統(tǒng)參數(shù)對D2D用戶的平均總和速率的影響。數(shù)值結(jié)果表明，存在最優(yōu)的D2D用戶接入密度，使得D2D用戶的平均總和速率最大，為優(yōu)化D2D通信系統(tǒng)性能提供了理論依據(jù)。